第3章-短波通信系統(tǒng)

1關鍵概念相干帶寬（coherentbandwidth）：指某一特定的頻率范圍，在該頻率范圍內(nèi)的隨意兩個頻率重量都具有很強的幅度相關性，即在相干帶寬范圍內(nèi)，多徑信道具有恒定的增益和線性相位。相干帶寬近似等于最大多徑時延的倒數(shù)。從頻域看，假如相干帶寬小于發(fā)送信道的帶寬，則該信道特性會導致接收信號波形產(chǎn)生頻率選擇性衰落，即某些頻率成分信號的幅值可以增加，而另外一些頻率成分信號的幅值會被減弱。相干時間（coherenttime）：相干時間就是信道保持恒定的最大時間差范圍，放射端的同一信號在相干時間之內(nèi)到達接收端，信號的衰落特性完全相像，接收端認為是一個信號。假如該信號的自相關性不好，還可能引入干擾，類似照相照出重影讓人紛繁蕪雜。從放射分集的角度來理解：時間分集要求兩次放射的時間要大于信道的相干時間，即假如放射時間小于信道的相干時間，則兩次放射的信號會經(jīng)驗相同的衰落，分集抗衰落的作用就不存在了。短波通信的基本概念依據(jù)CCIR國際無線電詢問委員會(InternationalRadioConsultativeCommittee)(1993年起，ITU-R)的規(guī)定，短波是指頻率為3-30MHz，波長為100m-10m的無線電波。利用短波進行的無線電通信稱為短波通信，又稱為高頻(HF)通信。短波(shortwave)的定義短波通信短波通信實際運用范圍為1.5-30MHz。

優(yōu)點勿需中繼站就可實現(xiàn)遠距離通信短波通信的特點技術成熟、完善機動性強、運用敏捷建設周期短、建設和維護成本低對自然災難和斗爭的抗毀性強缺點及對策

頻帶窄、容量小

短波天波信道是變參信道廣泛接受單邊帶調(diào)制技術接受實時選頻技術多徑效應嚴峻導致信號衰落分集接收技術、擴頻技術時頻編碼/時頻相編碼及檢測技術大氣和人為干擾嚴峻擴頻技術地波：1.5~5MHz。

短波傳播方式短波通信實際運用范圍為1.5~30MHz。天波地表面波直接波地面反射波地波電離層短波地波傳播特性大地吸取導致傳播損耗

地面導電性能越好，傳播損耗越小

電波頻率越低，傳播損耗越小

垂直極化波比水平極化波衰減小(利用地波進行近距離通信的頻率范圍大約

是1.55MHz)(通常接受輻射垂直極化波的垂直天線)一）短波傳播的形式大地吸取導致傳播損耗結(jié)論：地波的衰減隨著頻率的上升而增大，所以即使運用1000W的放射機，陸上傳播距離也僅為100km左右，所以這種傳播形式不宜用作無線電廣播或遠距離通信。電離層電離層是指從距地面大約60公里到1000公里處于電離狀態(tài)的高空大氣層。1.電離層的形成電離：高空大氣層在太陽輻射的作用下，大氣氣體分子或原子中的電子游離出來，形成離子和自由電子。電離現(xiàn)象顯著的區(qū)域稱為電離層。D層：60~90kmE層：100~110kmES層：120kmF1層：170~220kmF2層：225~450km電離層基本分層特性D層太陽升起時出現(xiàn)，太陽落下后消逝短波以天波傳播時將穿過D層短波穿過D層時嚴峻衰減在白天，D層確定了短波傳播的距離、放射機功率和天線增益(吸取層)E層電離起先后可反射高于1.5MHz的短波出現(xiàn)在太陽升起時,中午達到最大值，之后漸漸減小;太陽著陸后，對短波傳播不起作用ES層具有很高的電子濃度，能將高于短波波段的電波反射回來(E-sporadic

偶發(fā)E層)間或發(fā)生如何利用尚待探討F層白天有兩層：F1層和F2層F1層夜間消逝，常出現(xiàn)于夏季F2層電子濃度白天大夜間小、冬大夏小適合遠距離短波通信(反射層)電離層各層高度與電子密度的關系電子濃度隨高度增加而增加；D、E層夜間消逝；F層中午(白天)有兩層；F1層夜間消逝。最高可用頻率（MUF,maximumusablefrequency）它是指在實際通信中，能被電離層反射回地面的最高頻率。對應于電離層各分層的電子密度，都存在一個相應的最高頻率fv，也稱為臨界頻率。最高可用頻率（MUF）在此頻率時，該層對垂直入射的（入射角φ=00）電波將起到反射作用；而當頻率高于fv時，垂直入射的電波將穿出該層，因此不能為收發(fā)用戶供應短波通信鏈路。假如電波是以φ>00的入射角斜射電離層，頻率為fv的電波不會穿出該層，而當更高的某一頻率fob時才穿出該層。fob被稱為入射角為φ時的最高可用頻率，它可表示為：明顯，fob≥fv。h’ddhh’ffF為什么在同一電離層高度上有多個工作頻率？MUF是電波能返回地面和穿出電離層的臨界值?？紤]電離層的結(jié)構(gòu)隨時間的變更和保證獲得長期穩(wěn)定的接收，在確定線路的工作頻率時，不是取預報的MUF值，而是取低于MUF的頻率FOT，F(xiàn)OT稱為最佳工作頻率(frequencyofoptimumtraffic)。一般狀況下FOT=0.85MUF。選用FOT之后，能保證通信線路有90%的可通率。由于工作頻率較MUF下降了15%，接收點的場強較工作在MUF時損失了10-20dB,可見為此付出的代價也是很大的。由于電離層的電子密度受太陽輻射影響很大，白天和夜晚的最高可用頻率相差甚大，工作頻率也須要進行相應的調(diào)整。下圖示出了最高可用頻率一天內(nèi)的變更，作為簡潔的取值方法，而為了更好的適應電離層參數(shù)變更引起的傳輸特性隨機起伏，實時地選用最佳工作頻率是合適的。下圖畫出了MUF和FOT及建議選用的日頻和夜頻。04812162024t/h3456920f/MHz最高可用頻率最高可用頻率工作頻率建議選用的工作頻率日頻9MHz夜頻4.5MHz靜區(qū)由天波的反射原理可知，入射角越小，反射線達到的地點距放射點越近。當入射角小到確定值時，電波就有可能穿透電離層而無反射。天線放射的同一頻率的電波一般不是一條射線，而是一簇波束，在此波束中由于入射角度不同，有的反射的遠，有的反射的近，有的穿透電離層而無反射。很明顯，電波的最近反射點至放射點之間是沒有反射電波的，這種現(xiàn)象稱為天波的越距。在進行短波通信時，天線放射的電波，除有天波傳播外，還有地波傳播。一般來說，地波最遠可達30公里，而天波從電離層第一次反射落地（第一跳）的最短距離約為100公里?？梢?0~100公里之間的這一區(qū)域，地波和天波都覆蓋不到，形成了短波通信的安靜區(qū)，簡稱靜區(qū)，也稱為盲區(qū)。盲區(qū)內(nèi)的通信大多是比較困難的。車載臺均存在通信盲區(qū)問題。靜區(qū)靜區(qū)是長期困擾短波“動中通”的一大難題。解決通信盲區(qū)的方法有：一是增大電臺的放射功率以延長地波傳播距離；二是接受較低的工作頻率。由于靜區(qū)的大小與電波頻率、電離層電子密度及放射功率有關。頻率越低，電子密度越大，放射功率越大，則靜區(qū)越小。三是接受高仰角天線，也稱高射天線或噴泉天線，以縮短天波第一跳落地的距離。仰角是指天線輻射波瓣與地面之間的夾角。仰角越高，電波第一跳落地的距離越短，盲區(qū)越少，當仰角接近90度時，盲區(qū)基本上就不存在了。短波在電離層中的傳播特性晝夜間信號差別很大收聽收音機時，常遇到這樣的現(xiàn)象，夜間收到的信號多而強，白天收到的信號少而弱。有時還有另一種現(xiàn)象，在白天收到的信號，夜間卻消逝了。這些現(xiàn)象應如何說明呢？要說明這些現(xiàn)象，還應從電離層的變更說起。晝夜間信號差別很大電離層的層數(shù)、各層的高度和電子密度在白天和夜間是不同的。在白天，電離層的電子密度較大，而且存在D層。當電波穿過D層時受到的吸取很大，再加上E層和F層的吸取，反射到地面的電波很弱，只有少數(shù)在有效通信距離內(nèi)大功率發(fā)信機送來的電波較強，故收信機在白天收到的信號弱而少；在夜間，D層消逝，而且E層和F層的電子密度減小，這樣電波受到的吸取大大減小，反射到地面的電波較強，故收信機在夜間收到的信號多而強。晝夜間信號差別很大在夜間，由于電離層電子密度減小，原來白天由E層反射的電波，夜間則改由F層反射了。F層比E層高，形成的靜區(qū)就大。原來某收信機白天位于A電波反射后的可收聽區(qū)，到夜間則位于A電波反射后的靜區(qū)了。這樣，有些在白天可收到的信號，到夜間反而收不到的。這種現(xiàn)象，即使白天和夜間均由F層反射，也會由于F層晝夜間高度不同而發(fā)生?？朔円归g接受差別大的方法可以接受先進的實時選頻技術來克服。從前面的學習中我們知道，電波可以通過若干路徑和不同的傳輸模式到達接收端，這種現(xiàn)象就稱為多徑傳播。多經(jīng)傳播

短波在電離層傳播過程中，由于多徑傳播等緣由，使接收端的信號出現(xiàn)疊加（干涉），接收信號的強度出現(xiàn)忽大忽小的隨機起伏，稱為衰落。多徑干涉是引起衰落的主要緣由，此外電離層特性的變更等因素也會引起衰落。衰落

衰落有快衰落和慢衰落之分，連續(xù)出現(xiàn)持續(xù)時間僅幾分之一秒的信號起伏稱為快衰落；持續(xù)時間比較長的衰落（1小時或者更長）稱為慢衰落。依據(jù)衰落產(chǎn)生的緣由，可分為以下3種衰落。干涉衰落、吸取衰落、極化衰落。（1）干涉衰落若從線路發(fā)送端放射恒定幅度的高頻信號，由于多徑傳播，到達接收端的射線不是一條，而是多條。這些射線通過不同的路徑，到達接收端的時間不同，傳播的距離不同，遭遇的衰減不同，所以到達接收端后的幅度也各不相同。再者由于電離層的電子密度、高度均是隨機變更的，電波射線軌跡也隨之變更，這使得同一信號由多徑傳播到達接收端后信號之間不能保持固定的相位差，使合成的信號振幅隨機起伏。這種衰落由到達接收端的若干個信號干涉造成，故稱“干涉衰落”。干涉衰落有下列特征?！锞哂忻黠@的頻率選擇性即對不同頻率的信號具有不同的衰落特性，因此也稱“選擇性衰落”。通過試驗證明，當兩個信號頻率差值大于400Hz時，他們的衰落特性相關性就很小了。依據(jù)此特點，可以接受頻率分集的方法克服這種衰落。★衰落信號的振幅聽從瑞利分布（Rayleigh）在非騷動短波傳播期間，也就是不存在電離層暴變的時期，電場強度的快變更主要來源于干涉衰落，少量時刻也可能是由于極化衰落。:///wiki/Rayleigh_distribution并且，單純靠增加放射功率來提高可通率是極不經(jīng)濟的。近年來，在短波線路上廣泛接受分集接收技術、時頻調(diào)制技術以及差錯限制技術來對抗衰落，使得正常的瑞利衰落信道上傳輸數(shù)據(jù)時，用不太大的功率獲得線路的高可通率?！锔缮嫠ヂ涫且环N快衰落依據(jù)大量的測量值表明干涉衰落的速率大約為10~20次/min，衰落深度可達40dB（低于中值），間或達80dB。衰落持續(xù)時間通常在4~20ms范圍內(nèi)，是一種快衰落，與吸取衰落有明顯的差別。持續(xù)時間的長短可用于判別是吸取衰落還是干涉衰落。（2）吸取衰落產(chǎn)生吸取衰落的緣由是D層衰減特性的慢變更，其時間最長可以持續(xù)1小時或更長，因此吸取衰落屬于慢衰落。由于吸取衰落是電離層吸取的變更引起的，所以它有年、月、季節(jié)和晝夜的變更。吸取衰落有下列特征：接收點信號幅度的變更比較慢，其周期從幾分鐘到幾小時（包括日變更）。對短波整個頻段的影響程度是相同的（不存在頻率選擇性）?？朔∷ヂ?，除了正確地選擇頻率外，在設計短波線路時只能靠留功率余量來補償電離層吸取的增大。（3）極化衰落電波被電離層反射后，其極化已不再和放射天線輻射時的相同。放射到電離層的平面極化射線經(jīng)電離層反射后，由于地磁場的作用，分為兩條橢圓極化射線，經(jīng)合成形成接收地點的橢圓極化波。橢圓長軸的大小和相位隨著傳播路徑上電子密度的隨機變更而不斷變更，導致接收信號強度發(fā)生變更。極化衰落出現(xiàn)的概率遠小于干涉衰落。粗略估計，極化衰落僅占全部衰落的10%~15%。極化衰落發(fā)生時，接收端的電壓值均較未衰落時下降3dB。為了避開這種極化衰落，可以接受幾副具有不同極化方式的接收天線，并且通過選擇電路接到接收機輸入端。選擇電路總使接收最強信號的那副天線接到接收機輸入端。這種方法稱為極化分集。分集接收是克服信號衰落的有效方法。短波通信系統(tǒng)中，通常利用相距300米的兩副天線獲得兩個衰落近于不相關的信號樣本，或者利用兩個工作于不同頻率（頻率相差在400Hz以上）的接收機獲得兩個衰落互不相關的信號樣本，然后按確定規(guī)則將兩個信號樣本相加（合并），合成的信號電平將比較平穩(wěn)，衰落程度將大為減輕。上述利用兩副不同位置的天線進行分集的方法稱為二重空間分集，而利用兩個不同頻率傳輸?shù)姆椒ǚQ為二重頻率分集。增加所利用的天線或頻率數(shù)目，可使分集重數(shù)增加。5．相位起伏（多普勒頻移）短波在傳播過程中存在多徑效應，不僅使接收點的信號振幅發(fā)生隨機變更，也使信號的相位起伏不定。即使只存在一條射線，也就是單一模式傳播的條件下，由于電離層常常性的快速運動以及反射層高度的快速變更，使得傳播路徑的長度不斷變更，信號的相位也會發(fā)生變更，使信號的頻率結(jié)構(gòu)發(fā)生變更，頻譜產(chǎn)生畸變。這種頻率發(fā)生變更，畸變的現(xiàn)象稱為多普勒頻移。多普勒頻移在日出和日落期間呈現(xiàn)出更大的數(shù)值，此時很簡潔影響接受小頻移的窄帶電報的傳輸。此外，在發(fā)生磁暴時，將產(chǎn)生更大的多普勒頻移。在電離層安靜的夜間，一般不存在多普勒效應，而在其他時間，多普勒頻移大約在1~2Hz的范圍內(nèi)。當發(fā)生磁暴時，頻移最高可達6Hz。以上給出的2~6Hz的多普勒頻移是對于單跳模式傳播而言的。若電波按多跳模式傳播，則總頻移值按下式計算：

改進無線傳輸質(zhì)量的主要措施為了提高短波、超短波通信線路的質(zhì)量，除了系統(tǒng)設計時應適應傳播媒介的特點外，還必需接受各種有力的抗干擾措施來消退或削減信道中引入的各種干擾對通信的影響，并保證在接收地點所須要的信噪比。下面在探討無線電干擾的基本類型和特點的基礎上，介紹短波通信系統(tǒng)抗干擾的主要方法。分散得到幾個獨立信號,分散傳輸，集中處理。（攜帶同一信息，不同衰落特性的信號）（不好的衰落特性變成好的）利用多條相互獨立路徑傳輸同一信息源信號,接收端對信號合并，降低多徑衰落的影響，分集技術空間分集極化分集頻率分集時間分集在不同空間、用不同頻率和在不同時間.分別得到從不同路徑來的同一信號（獨立）3.6擴展頻譜技術定義：擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的展寬通過擴頻碼及調(diào)制的方法實現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無關；在接收端用相同的擴頻碼進行相關解調(diào)來解擴及復原所傳信息數(shù)據(jù)。

1.信號的頻譜被擴展寬了。一般的調(diào)頻信號或脈沖編碼調(diào)制信號帶寬與原始信息帶寬之比只有幾到十幾，而擴頻通信信號帶寬與原始信息帶寬之比則高達100到1000以上，屬于寬帶通信。2.接受擴頻碼序列調(diào)制的方式展寬信號頻譜。信號的頻帶寬度與其持續(xù)時間近似成反比。假如用很窄的脈沖序列被所傳信息調(diào)制，可產(chǎn)生很寬頻帶的信號。擴頻碼序列僅僅起擴展信號頻譜的作用。3.在接收端用相關解調(diào)來解擴。在擴頻通信中，接收端用與發(fā)送端相同的擴頻碼序列與收到的擴頻信號進行相關解調(diào)，復原所傳的原始信息。

人們總是想法使信號所占頻譜盡量窄，以充分利用珍貴的頻譜資源。為什么要用這樣寬帶的信號傳送信息呢?

簡潔的回答就是主要為了通信的平安牢靠。這可以用信息論和抗干擾理論的基本觀點說明。擴頻通信的理論基礎仙農(nóng)(shannon)在其信息論中得到如下有關信道容量的公式:

P信號功率,N白噪聲功率,W頻帶寬度，C傳輸速率。公式示意在保持信息傳輸速率C不變的條件下，可以用不同頻帶寬度W和信噪功率比P／N傳輸信息。換句話說，頻帶W和信噪比P／N是可以互換的。假如增加頻帶寬度，就可以在較低的信噪比的狀況下用相同的信息率以隨意小的差錯概率傳輸信息。甚至在信號被噪聲湮沒的狀況下，只要相應地增加信號帶寬，也能保持牢靠地通信。這一公式指明白接受擴展頻譜信號進行通信的優(yōu)越性，即用擴展頻譜的方法換取信噪比的改善?？傊?，用原始信息帶寬的l00倍，甚至1000倍以上的寬帶信號來傳輸信息，就是為了提高通信的抗干擾實力，即在強干擾條件下保證牢靠、平安地通信。這就是擴展頻譜通信的基本思想和理論依據(jù)。擴頻通信的主要特點1、抗干擾性強擴頻通信系統(tǒng)擴展的頻譜越寬，處理增益越高，抗干擾性能越強。2、隱藏性好由于擴頻信號在很寬的頻帶上被擴展，單位頻帶內(nèi)的功率很小，即信號的功率譜密度很低。所以應用擴頻碼序列擴展頻譜的擴頻系統(tǒng)，可在